Обоснование метода строительства трубопроводов на болотах 2 и 3 типа

Обоснование метода строительства трубопроводов на болотах 2 и 3 типа

Подземные трубопроводы, а также наземные трубопроводы на насыпях должны контролироваться с точки зрения надежности, деформируемости, прочности и равномерной стабильности, а также устойчивости к подъему на обводненных участках трассы трубопровода. Трубопроводы в условиях укладки на болота требуют контроля в значительно большем объеме, чем в обычных почвах. Основанием является то, что такое основание обладает низкими деформационными и прочностными свойствами, что не способствует "защемлению" трубы в грунте. Поэтому трубопровод в условиях укладки на болота не испытывает серьезных сопротивлений в продольных и поперечных направлениях, а также имеет возможность перемещаться в грунтах на достаточные величины для создания критических напряженно-деформированных напряжений.

Авторы публикации

Рубрика

ПРОЧЕЕ

Журнал

Журнал «Научный лидер» выпуск # 3 (48), Январь ‘22

Дата публицакии 11.01.2022

Поделиться

Методология расчета трубопроводов, стандартизированная СП [1, с. 15], едина для всех грунтовых оснований. Разница в действии трубопроводов в условиях укладки в болотах заключается в том, что одна и та же труба перед воздействием на нее массы и продукта совершает движения вниз, что фактически исключено в обычных грунтах. Эти вспомогательные движения вызывают образование дополнительных усилий в трубе, не предопределенных ключевыми нагрузками и воздействиями, то есть давлением и разницей температур.

Исходя из концепции о размещении трубопровода, основывающейся на воздействии в части нагрузки, относительно неограниченного изгиба балки, от которого она уходит, имеет стабильную величину, но к концу имеется нестабильный изгиб.

На рисунке 1 (а) в качестве примера показан полный прогиб прямолинейного трубопровода 1420x20 мм на переходе через болото длиной 80 метров. Из рисунка 1 (а) можно сделать следующий вывод. Если трубопровод пересекает болото прямолинейно в профиле, то в результате осадки трубы под действием собственной массы и продукта наиболее напряженными являются сечения А и Б. Напряжения изгиба σизг в сечениях А и Б обусловлены тем, что в этих сечениях развиваются наибольшие изгибающие моменты Мизг. И чем больше осадка Sтруб (прогиб у) трубы в центральной части болота, тем больше величина Мизг, соответственно σизг. На рисунке 1 (а) в качестве примера приведена эпюра Мизгтрубопровода 1420x20 мм. При q = 7,34 кН/м величина Мизг в сечениях А и Б при уmax = 106 мм составила Мизг =617 кН·м. Если определить дополнительные напряжения σизг по формуле 1, то при W =5092 см2 для трубы 1420x20 мм получим σизг = 121,3 МПа.

    

equation.pdf

(1)

Если трубопровод изготовлен, например, из широко применяемой трубной стали 17Г1С с σ0,2 =353 МПа, то значение σизг =121,3 МПа составляет 34% от σ0,2, что является очень большой дополнительной величиной для напряжений в трубопроводе от эксплуатационных нагрузок и воздействий.

Согласно рисунку 1 протяженность болота равна 80 метров. В действительных обстоятельствах протяженность переходов имеет протяженность от сотни метров до нескольких километров. Также имеет возможность меняться модуль деформации E0, в зависимости от физико-механических свойств грунта. Подобным способом, значение прогибов трубопроводов в условиях болот, а также Мизг в сечениях А, Б имеют все шансы являться немало значительнее, нежели в рассмотренном варианте. Поэтому станут значительнее вспомогательные усилия σизг согласно формуле 1.

 

pastedGraphic.png

Рисунок 1. Принципиальная схема, поясняющая метод прокладки трубопроводов в условиях болот

 

Стоит отметить то, что неравномерной осадки (прогибов) трубопроводов на болотах не избежать и величина ее может быть весьма различной. Также появление дополнительных изгибающих моментов Мизг и напряжений σизг в местах перехода прямолинейного трубопровода из минеральных грунтов в торф (в сечениях А и Б на рисунке 1, а) от осадки трубы следует исключить.

Суть технического решения по прокладке трубопроводов через болота в том, что в местах перехода из минерального грунта в болото профиль продольной оси трубопровода в исходном положении должен быть в относительном смысле зеркальным отображением эпюры прогибов трубопровода у.

Если на переходе через болото трубопровод необходимо проложить наземным способом в насыпи, то переход из подземного в наземный способ прокладки следует осуществить по кривой поворота с минимально допустимым из условия прочности радиусом упругого изгиба трубы (рисунок 1, б). При этом кривую поворота необходимо расположить в слое торфа и обеспечить совмещение ее начала с краями болота (сечения А и Б). В горизонтальной плоскости трубопровод следует уложить по поверхности болота под насыпью также с искривлением продольной оси упругим изгибом трубы с расположением вершины поворота примерно посередине перехода через болото (рисунок 1, в).

Если на переходе через болото трубопровод остается в подземном варианте, то вертикальную кривую изменения продольной оси трубы оставляют в слое торфа (рисунок 1, г). При этом превышение ∆h положения трубы в пределах болота над отметкой трубы на берегах болота должно составлять не менее величины максимальной прогнозируемой осадки трубы уmax [2, с. 95]:

equation_1.pdf

(2)

Рассмотрим подробнее более общий случай прокладки трубопровода на болоте наземным способом в насыпи.

После определения границ участков, т.е. местоположения края болота (точка А) трубопровод упругим изгибом трубы выводится из подземного в наземный вариант прокладки по поверхности болота (рисунок 2). Упругий изгиб трубы создается отрывком траншеи по заданному профилю. Кривая поворота AC состоит из двух участков AM и МС, радиус упругого изгиба которых ρ0 является минимальным из условия прочности трубы от расчетных эксплуатационных нагрузок и внутренних воздействий. Радиус ρ0 определяется расчетом трубопровода с учетом совместной деформации трубы и окружающего грунта. В любом случае радиус ρ0 при первом поверочном расчете можно принимать равным ρmin.

 

pastedGraphic_1.png

Рисунок 2.  Изменение геометрических параметров трубопровода при его осадке на переходе через болото

 

В горизонтальной плоскости трубопровод, также упругим изгибом трубы, прокладывают по поверхности болота с искривлением оси по большому радиусу порядка ρг =2500 - 4000 м. При этом образуется начальная стрелка прогиба трубы f0 , вершину которой следует совместить с серединой болота. Величины ρг, f0 зависят от диаметра трубопровода, длины болота, давления продукта, температурного перепада и определяются расчетом для каждого конкретного случая.

Технология производства работ по данному методу не отличается от обычной. Способ не требует применение кривых вставок искусственного гнутья, придания трубопроводу выпуклой формы для создания в нем предварительных растягивающих напряжений, использования утяжелителей, гидронамыва и т.п. Сооружение трубопровода осуществляется обычным порядком стандартной строительной техникой. Насыпь над трубой устраивают согласно обычным требованиям [1, с. 15].

Как правило, трубопроводы через болота на севере прокладывают зимой.

В летнее время, по мере оттаивания болота, труба вместе с насыпью начинает перемещаться вниз; величина осадки Sтруб (рисунок 1, а) зависит от диаметра трубопровода, мощности насыпи над трубой и торфа под трубой, от физико-механических характеристик торфа и т.д.

Следующим важным этапом является пуск трубопровода в эксплуатацию. При подаче продукта давлением р и с положительной температурой t, труба за счет температурного перепада ∆t удлиняется на некоторую величину ∆l. Удлинение трубы реализуется ее поперечным перемещением по поверхности торфа под насыпью, при этом стрелка прогиба изменяется от f0 до f0 + ∆f (рисунок 1, в) [3, с. 14].

В конечном итоге трубопровод перемещается одновременно вниз и в сторону, причем интенсивные перемещения по вертикали соответствуют периоду таяния (растепления) торфа под трубой и насыпью, а по горизонтали - периоду пуска трубопровода в эксплуатацию. В результате трубопровод занимает новое положение, показанное на рисунке 2 и 1 (б, в) штриховой линией.

Фактически участок трубопровода в пределах болота по данному способу прокладки является компенсатором, что положительно сказывается на работе трубопровода и о чем будет сказано ниже. Основание компенсатора ОА защемлено в минеральном грунте (рисунок 2), а его деформируемая часть располагается в торфе и под насыпью. Известно, что сопротивление торфа и насыпи поперечному перемещению трубы много меньше, чем минерального грунта природного сложения. Этот фактор используется для снижения напряженно-деформированного состояния (НДС) трубопровода от эксплуатационных нагрузок.

НДС трубы должно удовлетворять требованиям СП [1, с. 15]. Показатели НДС определяют на стадии проектирования трубопровода подбором минимального радиуса упругого изгиба ρ0 и расчетом на внутренние воздействия р и ∆t. При эксплуатации трубопровод занимает положение, показанное штриховой линией. При этом начальный радиус его упругого изгиба в вертикальной плоскости ρ0 только возрастает до значения ρi, следовательно, и НДС трубы будет только уменьшаться [4, с. 271]. Перемещаясь в положение, показанное штриховой линией, трубопровод как бы разгружается, изгибные напряжения в его стенке уменьшаются, соответственно надежность конструкции возрастает.

Список литературы

  1. СП 86.13330.2012 Магистральные трубопроводы.
  2. Айнбиндер А.Б. Расчет магистральных и промысловых трубопроводов на прочность и устойчивость: Справочное пособие / А.Б. Айнбиндер - М.: Недра, 1991. - 287 с.
  3. Инструкция по проектированию трубопроводов, укладываемых в насыпи и с малым заглублением в грунт. - М.: ОНТИВНИИСТ. - 25 с.
  4. Горбунов - Посадов М.И., Маликова Т.А., Соломин В.И. Расчет конструкций на упругом основании / М.И. Горбунов – Посадов, Т.А. Маликова, В.И. Соломин. - М.: Стройиздат, 1984. - 678 с.

Предоставляем бесплатную справку о публикации,  препринт статьи — сразу после оплаты.

Прием материалов
c по
Осталось 3 дня до окончания
Размещение электронной версии
Загрузка материалов в elibrary